各类电压标准

郝旭帅

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本帖最后由郝旭帅于 2018-9-1 10:03 编辑

在数字电路中，经常输入或者输出“高”、“低”电平，那么多高的电压标准算作是“高电平”呢？难道只有“0V”才算低电平？这些问题相信是任何一个初学者心中的疑虑。
ASIC（Application SpecificIntegrated Circuit，专用集成电路）之间的相互通信是通过I/O发出高低电平进行通信的，这些电平都要符合相应的电平标准。

图1

现在数字通信系统中，I/O电压标准包括早期的LVTTL标准，LVCMOS标准，以及HSTL标准和较新的LVDS等标准。不同的标准支持的器件不同，支持的传输速度不同，支持的噪声容限也不同。从另一个方面来看，I/O标准的进步反映了数字系统的进步。

I/O端口标准按照信号的传输方式，分为单端信号（图2），差分信号（图3）和伪差分信号（图4、图5）。

图2

单端信号传输时，在单独的导线上传输信号，其逻辑电平相对于GND（地）。ASIC_A以相对于GND的逻辑进行驱动，接收端也用相对于地的逻辑进行捕获。LVTTL标准和LVCMOS标准都是单端信号标准。

图3

差分信号进行传输时，使用两条传输线传输信号，ASIC_A按照信号的差值进行逻辑驱动，ASIC_B也按照信号的差值进行逻辑捕获。差分信号具有很强的抗共模干扰能力，因此它的速度性能和噪声性能较好，多用于高速数据传输。LVDS标准为I/O差分标准。

图4

单端伪差分信号进行传输时，使用一条传输线传输信号，ASIC_A正常发送逻辑值，ASIC_B接收是相对于ref_V（参考电压）进行接收。ref_V一般为传输电压的一半。接收端的信号电压低于ref_V当作逻辑“低”，高于ref_V当作逻辑“高”。

图5

双端伪差分信号传输时，使用两条传输线分别传输信号的“正”、“反”逻辑。ASIC_A发送信号的电平与“反”电平，接收端按照单端伪差分接收标准接收，然后取出其中一路作为输出。

伪差分标准的信号输出幅度较小，电源逻辑比真差分电路简单，噪声容限大而且与JEDEC支持的SDRAM的L-Bank结构相对应，所以被应用于DDR/DDR2/DDR3接口，数据速率可以达到600Mbit/s。

从发送端发出信号，经过线路的干扰影响，其电平可能升高或者降低，因而接收端必须在一个电平范围内判断它的逻辑值。这个电平范围称为噪声容限（Noise Margin， NM）。不同的信号传输方式和I/O标准由不同的噪声容限和逻辑值判断方式。

图6

图7

在单端信号传输高电平中，ASIC_A输出高电平的电压值要在VOH_max和VOH_min之间，ASIC_B为了能够正确接收到逻辑，所以要求VIH_max大于VOH_max，VIH_min小于VOH_min。而VIH_max和VOH_max都是受到电源电压的影响，并且越高肯定会判断成为逻辑高，因此VIH_min和VOH_min才是影响传输的关键。所以高电平的噪声容限（NMH）为VOH_min — VIH_min。对于低电平而言，ASIC_A输出高电平的电压值要在VOL_max和VOL_min之间，ASIC_B为了能够正确接收到逻辑，所以要求VIL_max大于VOL_max，VIL_min小于VOL_min。而VIL_min和VOL_min都是受到GND的影响，并且越低肯定会判断成为逻辑低，因此VIL_max和VOH_max才是影响传输的关键。所以低电平的噪声容限（NML）为VIL_max — VOL_max。如果发送端和接收端不能满足以上条件，那么通信就会受到影响。

图8

笔者水平有限，如果设计中，有什么不妥的地方，恳请大佬们指出来。

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